一种GaN衬底的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种GaN衬底的制备方法，属于光电子器件的制备领域。本发明专利技术区别于现有技术的核心是，在衬底(如Si，蓝宝石，SiC等)外延生长表面上形成由碳纳米管与GaN、InGaN、AlGaN、AlN或InN纳米柱构成的过渡层，随后再生长厚膜GaN，获得厚膜GaN衬底或经过去除衬底工艺或自分离工艺得到自支撑GaN衬底。本发明专利技术制备方法简单、工艺条件易控制、价格低廉，可以选择不同的衬底，还可支持多种衬底分离技术。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种GaN衬底的制备技术，属于光电子器件的制备领域。
技术介绍
目前广泛使用的蓝宝石或者碳化硅衬底与GaN材料之间的晶格失配和热失配较大，造成GaN材料及其器件的质量下降。利用HVPE和MOCVD或MBE结合的外延方法制备自支撑GaN或复合厚膜GaN衬底技术一直对于GaN大功率LED、激光器等高性能的光电器件等方面都有非常重要的意义。由于蓝宝石或碳化硅等衬底与GaN材料有很大的晶格失配和热失配，GaN衬底的制备一直都受到残余应力大、外延片弯曲甚至开裂的影响而不能得到广泛应用。目前GaN 自支撑衬底中的应力控制的办法主要包括(1)低温插入层技术，主要是在生长过程中插入一层低温的应力调制层，达到缓解应力的效果。(2)图型化衬底的方法利用衬底的图形，释放在生长过程带来的应力。(3)侧向外延技术通过侧向外延，形成狭长的空隙，达到应力的释放。以上所述三种方法，对低温插入层、侧向外延技术等工艺的要求较高，过程相对复杂，容易受到工艺过程的影响而使GaN衬底材料的晶体质量受到影响，量产的产率不高，导致现有的GaN衬底还未能商业化，价格昂贵。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种制备GaN自支撑或GaN厚膜衬底的新方法。本专利技术提供的制备GaN衬底的方法区别于现有技术的核心是，在衬底(如Si，蓝宝石，SiC等)外延生长表面上形成一过渡层，该过渡层由碳纳米管与GaN、InGaN, AlGaN, AlN或InN纳米柱结构构成，该层在生长厚膜GaN时，具有调节与释放应力的作用；同时在厚膜GaN与衬底分离时作为牺牲层。随后再生长厚膜GaN，从而获得低成本、高质量的厚膜 GaN复合衬底，或经过去除衬底工艺或自分离工艺得到自支撑GaN衬底，如图1所示。该方法具体包括如下步骤1)在衬底上形成过渡层；所述衬底为可以实现GaN生长的材料，如蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN衬底、Si 衬底、LiAlO2衬底等；或者在蓝宝石、碳化硅、GaN、Si, LiAlO2等衬底上生长了厚度为10纳米-100微米的GaN、A1N、InN或者三种材料的合金薄膜材料。具体制作步骤如下在上述衬底上设置碳纳米管阵列，具体方法依据铺设碳纳米管的衬底性质，通过沉积一层催化剂层，通入碳源反应气体，利用加热或者激光照射等办法生长，或者其他方法形成碳纳米管阵列。碳纳米管排列的结构和尺寸，可以根据之后的GaN外延生长以及外延层与衬底分离的需要来确定，具体包括纳米碳管的尺寸、排列的周期、方向、堆叠的层数及图形的选择。 对不同的衬底材料，根据晶向以及晶体生长模式，确定不同的纳米碳管的排列方式。碳纳米管可以为单壁、多壁，也可以铺设单层或多层碳纳米管，碳纳米管的直径为1-100纳米，碳纳米管可以有序排列，也可以无规则排列，规则排列中，可形成矩形、六角形、正方形、平行四边形等任意平面几何形状的分布，也可以是金字塔形、六角柱，四面体等立体三维分布， 重复周期10纳米-100微米，整体尺度可以根据需要，在从1微米到6英寸或者更大的尺寸。在上述碳纳米管阵列上采用MBE或者MOCVD中生长条件的变化形成一定高度的 GaN.InGaN,AlGaN,ΑΙΝ,ΙηΝ纳米柱结构，该结构中缺陷密度低、对之后的厚膜生长具有很好的应力调节作用，同时，对实施分离GaN厚膜和衬底有利。以MOCVD生长GaN纳米柱为例说明生长方法，主要分两步生长，首先为低温GaN缓冲层生长，随后再高温生长GaN外延层。低温GaN缓冲层的温度范围为500度至600度；压力为100至400Torr ；缓冲层的厚度在10-100纳米；高温GaN层温度范围为900-1000度、 压强为300-600ΤΟΠ·，生长90-400纳米，形成以碳纳米管作为间隔的纳米柱结构。2)生长厚膜GaN材料。所述各种外延技术包括金属有机化学气相沉积法、氢气物气相外延、分子束外延或者其他包括改变生长参数、调节生长结构等技术的组合，如先在金属有机化学气相沉积法或者分子束外延生长薄膜GaN，再利用氢气物气相外延快速生长厚膜GaN。以GaN复合衬底为目的，GaN外延层的厚度可以在50纳米-200微米；为了制备自支撑GaN衬底，GaN外延层的厚度可以在200微米-10毫米。在此阶段，纳米柱结构迅速合拢，形成平整表面。其中所述MOCVD生长GaN外延层的温度范围在900-1200度，压力在100_450Torr。其中所述 HVPE快速生长温度范围在600-1100度，压力范围为250_700Torr。其中所述MBE生长的 GaN温度为700-900度。在上述的生长过程中，均可结合各种不同生长参数组合的生长模式转化的方法。如不同时期采用不同的反应室温度、压力、气体流量等。3)对上述制备好的厚膜GaN材料进行机械抛光等工艺，降低表面粗糙度。或，采用分离技术，将上述厚膜GaN层剥离，并进行切割、机械研磨和化学抛光，形成自支撑GaN衬底。衬底分离具体技术为激光剥离技术、机械研磨、化学腐蚀或自分离技术。激光剥离技术可采用准分子激光器(如KrF激光器)、固体紫外激光器(如YAG激光器)对2)中所制备的厚膜GaN照射实现分离；机械研磨可对原有衬底进行研磨，得到我们需要的自支撑GaN衬底。自分离技术利用在生长过程中厚膜GaN的应力调整，自行和原有衬底分离实现自支撑GaN衬底。本专利技术的技术优点和效果利用高温高压条件生长出的三族氮化物纳米柱，由于以碳纳米管为间隔，具有高度、尺寸等精确可控的特点。实验表明，三族氮化物纳米柱相对薄膜材料，有较好的晶体质量，同时在高温GaN下形成纳米结构柱体，可以有效的转移应力分布，碳纳米管形成的纳米柱间隔提供了应力释放的空间，利用实现高质量厚膜GaN衬底的制备。同时这种碳纳米管结构提供了一种自分离GaN衬底的方法。并且这种纳米碳管的结构相对于其他释放应力手段，其制备更加方便，工艺条件相对简单且更易控制，价格低廉，可以选择不同的衬底，薄膜上生长不同纳米碳管结构，达到控制应力释放的时间、程度以及外延层的厚度等。可支持多种衬底分离技术，实现GaN的自支撑衬底制备。附图说明图1为具有纳米碳管阵列结构的三族氮化物纳米柱示意图；图2为采用本专利技术制备GaN自支撑衬底的流程示意图；其中1-衬底；2-碳纳米管；3-纳米柱；4-厚膜GaN材料。具体实施例方式下面结合通过实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术并不限于以下实施例。实施例一、c面自支撑GaN衬底的制备1)衬底可为蓝宝石、碳化硅、Si等衬底，或为在蓝宝石、碳化硅、Si等衬底上已生长的GaN、AlN、InN或其他三族氮化物材料薄膜；碳纳米管排列方式为沿生长平面的平行排列，排列的方式可以是等周期，或周期无序的结构，纳米碳管可为单根纳米碳管，也可为一簇纳米碳管，进行单层或多层等各种形式本实施例选用c面的蓝宝石衬底，选用等周期沿衬底参考边垂直方向排列的三层纳米碳管；纳米碳管的直径为1-100纳米，本实施例采用 20纳米；周期为1-100微米，优选1-10微米，本实施例采用2微米；2)在上述覆盖纳米碳管的衬底上，使用MOCVD生长技术生长GaN纳米柱结构，形成碳纳米管与GaN纳米柱的过渡层。GaN纳米柱分为低温缓冲层和高温外延层。低温缓冲层厚度为10-100纳米，本实施例中厚度选为50纳米，生长温度范围为5本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种ＧａＮ衬底的制备方法，其步骤包括：１）在衬底上生长一过渡层，该过渡层是由碳纳米管与纳米柱构成；２）外延生长厚膜ＧａＮ材料，形成厚膜ＧａＮ衬底或进行ＧａＮ剥离，形成自支撑ＧａＮ衬底。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：于彤军，龙浩，张国义，吴洁君，贾传宇，杨志坚，
申请(专利权)人：北京燕园中镓半导体工程研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：11